CN1143439C - 用于共同的源和信道编码的方法 - Google Patents
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Abstract
信息编码方法，在其中将符号由符号序列组成的信息首先按照其概率分类，然后在普通二进制编码中进行表示和这样可以将包括在符号序列中的兀余信息利用在比特位的解码上。
Description
本发明涉及到信息编码和解码的方法，特别是数字传输或者存储的方法。
源信号或者源信息如语言-、声音-和视频信号几乎始终包含有统计学的冗余，即冗余信息。通过源编码可以显著地减少这些冗余，这样就使源信号的有效传输或者存储成为可能。在传输之前这种降低冗余避免了冗余的信号内容，这些是建立在例如信号过程的统计参数基础知识上的。在传输之后将这部分在源解码时重新附加在信号上，这样客观上没有有据可查的质量损失。
由于关于源信号不完整的知识或者在源编码方法整体性的限制一般来说只可以次佳地实现源编码，也就是说在源编码之后在压缩数据中也还有某些冗余存在。在目前的源编码方法中常常将源信号压缩为符号或者量化的参数，然后将这些对应于分配命令表示为二进制编码字，其中分配命令目前或多或少是偶然选择的。
另一方面常常在信号传输时将有目的的冗余通过信道编码重新补充进去，以避免由于信道干扰影响传输。因此通过附加冗余比特使接收器或者解码器有可能识别误差和必要时也可能修正误差。
长时间以来信息理论有一个基本的前提，可以相互独立地进行源编码和信道编码以达到最佳结果。根据这个基本原则只依赖于源特性设计源解码器，相反信道编码设计应该只依赖于信道特性。如果源编码器提供统计的独立的和因此不相关的以及同时是概率的符号和解码延迟可以任意长时，这个基本原则可以是正确的。在实际应用中一般来说不能满足这些先决条件。源编码器的输出信号或者由源编码器输出的符号序列常有一个剩余冗余和同时允许的延迟特别在语言传输时是有限制的。
已知，将源编码符号序列的这些剩余冗余利用在所谓的源控制的信道解码中。其中信道解码器的解码过程一方面由被传输的比特和另一方面由关于一些重要源比特概率值的A优先-/A其次-信息进行控制。源信息影响信道解码的结果。在用Viterbi算法进行解码情况时这种方法被称为A优先-Viterbi算法。当使用这种方法时只在接收器方面有必要进行改进。这样文献J.Hagenauer，“源控制的信道解码”，IEEE Trans.Commun.，43卷，2449-2457页，1995年9月，指出在源控制的信道解码时充分利用帧之间的相关，也就是说充分利用时间和/或位置之间相邻信号样本的统计关系。
试验也得出，由于参数值的不均匀分布，这又引起源信号的不稳定性，不只在连续帧的比特之间，而且在帧内参数的比特之间也有一个剩余冗余。
本发明的任务是，达到尽可能少误差和尽可能少费用的信息传输或者信息存储。
上述任务按照本发明是通过独立权利要求的特征解决的。
本发明是以以下思路为基础的，将符号首先按照其相对概率进行分类和按照分类结果分配给普通二进制编码。
通过本发明达到，不需要过多费用可以降低解码比特的误差率，和这样可以将干扰比较少的信息进行传输。
下面借助于有利的实施例详细叙述本发明。其中特别叙述了信息的数字传输。然后本发明也可以应用在信息存储上，因为将信息写入存储器介质和将信息从存储器介质中读出涉及到本发明对应于信息发送器和信息接收器。
常使用“解码”概念，以描述信道编码比特位的解码，如果一般来说决策关于比特位的二进制数值时，而使用“检测”概念。因为本发明可以有益地使用在两种场合，在本发明专利申请范围内“解码”概念也包括检测过程。
将下面列出的附图用于叙述本发明的实施形式。
附图表示：
附图1消息传输链的简图
附图2在一个帧结构中符号和源编码比特序列之间关系的简图
附图3符号和各各二进制表示的二进制数值的概率分布
附图1表示了产生源信号QS的源Q，将源信号被源编码器QE，如GSM全比率语言编码器，压缩到由符号组成的符号序列SY。其中符号有一个数值c，j(符号值).在参数化的源编码方法中将由源Q产生的源信号QS(例如语言)分成数据块(例如时帧)和将这些分开处理。源编码器QE产生量化的参数(例如语言系数)，下面将这个也称为一个符号序列的符号SY，和这些在现实的数据块中一定程度上反应了源的特性(例如语言的频谱，滤波器参数)。这些符号在量化之后有确定的符号值c，j。
例如GSM全比率编码器产生76个参数，其中0至7是所谓的LAR系数(对数区比率)，这些是在LPC分析时产生的(线性预报译码)。参数9、26、43和60是所谓的LTP(长期预报)的相似性尺度。此外在每个帧内有所谓的PRE分析(有规则的脉冲激励)的四个XMAX系数(或者参数)，这些在帧与帧之间只有很小变化。
由于关于源信号或者源编码方法的整体性限制的不完整知识一般来说只可能次佳地实现源编码QE，也就是说包含在被压缩信息中的符号序列SY也还包括冗余信息。
如附图2所示将符号序列SY的符号或者相应的符号值c，j通过二进制表示BM(分配命令)，这常被叙述为源编码QE的一部分，表示为二进制编码字bcw，j的一个序列BCW，这些各自有多个比特位b，i。将另外的二进制编码字bcw，j分配给每个符号值c，j，二进制编码字由于不同的二进制数值在一个或者多个比特位b，j上是有区别的。其中脚注j代表符号的不同数值或者不同的编码字和脚注i和后面的k，q位于相应数值的位上。
如果将这些二进制编码字bcw，j先后继续处理为二进制编码字的序列BCW，这样由源编码比特位uq产生一个序列u，将这些可以置入帧结构中，其中将每个比特位uq固定地分配给确定的编码字bcw，j的确定的比特位b，i上。这样例如在GSM全比率编码时每20毫秒产生有260个比特位uq的帧。
附图2表示了这样产生的一个帧k的帧结构。源编码比特位uq或者有数值“+1”或者“-1”或者“0”。在一个帧内脚注i由0至Q-1，其中Q是源编码比特位uq在一个帧内的数目。在每个帧内例如可以将比特位调整为具有不同意义的和对信道干扰不同敏感度的三级。
在信道编码器CE中，如卷集编码器，将源编码比特位u进行编码这样抗信道干扰，在最重要的等级上出现最小的比特误差概率。为此首先将50个最重要的比特(等级1a)通过循环的数据块安全性(CRC)的3比特保证安全。将其次的132个重要的比特(等级1b)用在这之前叙述的53比特重新分组和共同用具有1/2比率的4个尾部比特进行卷集编码。将78个不太重要的比特(等级2)不编码地进行传输。
将这种信道编码的比特序列x在没有表示的调制器中继续处理和随后经过传输路段CH传输。当进行传输时出现干扰，例如用褪色系数ak描述的褪色，和用噪声系数NO描述的噪声。
传输路段CH位于发送机和接收机之间。接收机必要时包括一个没有表示的天线用于接收经过传输路段CH传输的信号，一个扫描装置，一个解调器用于将信号解调和一个校正器用于降低符号之间的干扰。同样为了简化原因将这些装置没有表示在附图1中，也没有表示可能的交叉和解交叉。
校正器输出接收序列y的接收值。接收值由于在经过CH传输路段传输时的干扰有与“+1”和“-1”有偏差的值，例如“+0.2”或者“-3.7”。
在信道解码器CD中取消信道编码。此外在接收序列y的接收值基础上决策关于单个被接收的比特位
u q或者
b，i的二进制数值。除了信道状态信息CSI之外其中将上面解释的符号序列SY的剩余冗余可以充分利用在所谓的源控制的或者共同的信道解码上，以修正比特误差或者改善解码。为此原则上有两种可能：
●在A优先信息APRI意义上将关于符号值c，j的概率的冗余信息和因此还有确定的比特位b，i的二进制数值的概率的冗余信息和符号相互的相关和因此还有确定的比特位b，i相互的相关直接利用在信道解码器上，如果例如在这之前在一个试验源编码器上或者借助于试验源编码器通过一些试验源信号求出这些信息，和然后将这些信息存储在属于信道解码器CD的存储器单元中和将其利用作为信道解码，如果将这些用于确定一个阈值，从这个阈值开始例如对于接收序列y的数值决策为二进制数值“1”。
●将关于符号值c，j的概率的冗余信息和因此还有确定的比特位b，i的二进制数值的概率的冗余信息和符号相互的相关和因此还有确定的比特位b，I的二进制数值相互的相关在A其次信息意义上在信道解码之后求出。其中将A其次信息APOI可以直接在信道解码器CD之后或者在源解码QD之后或者源解码期间求出。
在“J.Hagenauer，“源控制的信道解码”IEEE Tran.Commun.，43卷2449-2457页，1995年9月”，特另是在2451和2452页中叙述了这种方法，其中信道解码器的解码过程不仅由被传输的编码比特控制而且由关于一些重要源比特的概率值的A优先/A其次信息控制。在VS(Viterbi算法)解码情况时将这种方法称为Apri-VA。
为了信道解码CD例如也可以使用SOVA(软输出-Viterbi算法)。其中SOVA是一种算法，这种算法不仅得出一个决策值，而且还继续得出决策值以什么样的概率出现。
在成功的信道解码CD之后将被接收的信道解码的比特序列
u或者包含在其中的二进制编码字
bcw，j量新表示DB为被接收的符号序列
SY的被接收的符号，然后将这些在源解码器QD上处理成被接收的源信号QS和在信息下载S上输出。
下面介绍4种可能的不同的二进制表示BM：
-普通的二进制编码NBC
-卷积的二进制编码FBC
-灰色的二进制编码GBC
-最小距离编码MBC
将这4种二进制表示各自用4个比特位为例表示在下面的表格中：
在目前已知的源编码方法中将符号或者参数在源编码QE和源量化之后不分类地表示为普通的二进制编码NBC。随后将源控制的信道解码CD也只使用在这样的源编码的比特位b，i上。
如果在符号或者在由符号组成的符号序列SY中还存在冗余信息时，也就是说符号值c，j的相对概率是不均匀分布的，或者一些符号是相互相关的，这样在一些比特位b，i上也自动存在冗余信息。在用自己为了这个目的开发的仿真方法的复杂的仿真时得出，由于符号值c，j的不均匀分布通过有目标地使用一定的二进制表示BM可以将包含在符号序列SY中的剩余冗余充分利用在信道解码CD上特别是可以很好地使用在改善误差修正上。
本发明将包含在符号序列SY中的剩余冗余很好地利用在比特位的二进制数值的解码或者比特位的解码上，如果不是任意偶然选择二进制表示时，而是代替这个为了二进制表示将符号或者参数首先按照其概率进行分类和将这样产生的符号结构分配给普通的二进制编码。
| 符号c，j | 编码字bcw，j NBC | 编码字bcw，j FBC | 编码字bcw，j GBC | 编码字bcw，j MDC |
| b3b2b1b0 | b3b2b1b0 | b3b2b1b0 | b3b2b1b0 | |
| c0 | 0 0 0 0 | 0 1 1 1 | 0 0 0 0 | 0 1 1 1 |
| c1 | 0 0 0 1 | 0 1 1 0 | 0 0 0 1 | 0 1 1 0 |
| c2 | 0 0 1 0 | 0 1 0 1 | 0 0 1 1 | 0 1 0 1 |
| c3 | 0 0 1 1 | 0 1 0 0 | 0 0 1 0 | 0 0 1 1 |
| c4 | 0 1 0 0 | 0 0 1 1 | 0 1 1 0 | 0 1 0 0 |
| c5 | 0 1 0 1 | 0 0 1 0 | 0 1 1 1 | 0 0 1 0 |
| c6 | 0 1 1 0 | 0 0 0 1 | 0 1 0 1 | 0 0 0 1 |
| c7 | 0 1 1 1 | 0 0 0 0 | 0 1 0 0 | 0 0 0 0 |
| c8 | 1 0 0 0 | 1 0 0 0 | 1 1 0 0 | 1 0 0 0 |
| c9 | 1 0 0 1 | 1 0 0 1 | 1 1 0 1 | 1 0 0 1 |
| c10 | 1 0 1 0 | 1 0 1 0 | 1 1 1 1 | 1 0 1 0 |
| c11 | 1 0 1 1 | 1 0 1 1 | 1 1 1 0 | 1 1 0 0 |
| c12 | 1 1 0 0 | 1 1 0 0 | 1 0 1 0 | 1 0 1 1 |
| c13 | 1 1 0 1 | 1 1 0 1 | 1 0 1 1 | 1 1 0 1 |
| c14 | 1 1 1 0 | 1 1 1 0 | 1 0 0 1 | 1 1 1 0 |
| c15 | 1 1 1 1 | 1 1 1 1 | 1 0 0 0 | 1 1 1 1 |
| #(比特交换) | 1 3 7 15 | 1 2 6 14 | 1 2 4 8 | 1 6 10 10 |
这样将按照出现概率分类的符号用一种方法分配给普通二进制编码(NBC)，将编码字分配给最常出现的符号，这在所有比特位上有第一个二进制数值或者将一个编码字分配，这在所有比特位上有第二个二进制数值，和将一个编码字分配给最少出现的符号上，这在所有比特位上有第二个二进制数值或者将一个编码字分配，这在所有比特位上有第一个二进制数值。
这导致符号冗余有效地表示在单个的比特位冗余上；从而可以将关于单个比特位b，i的二进制数值的更多的冗余信息充分利用到误差修正上。此外为了将最重要的比特解码比为了次重要的比特解码可以利用更多的冗余信息。特别是为了将数字数据或者矢量量化的参数可以表示在编码字上-如仿真结果表示的-通过按照本发明方法特别改善了解码结果。
在源控制的信道解码CD时现在可以比较容易的和比较有效的利用存在于源编码符号序列SY中的剩余冗余(不均匀的分布)，因为将存在于符号平面的冗余已经转换为存在于比特平面上的冗余(不均匀的分布)，这些可以被源控制的信道解码器(例如Apri-VA)直接使用。用这种方法在传输源信号QS(声音，语言，等)时人们可以达到改善质量的目的。在二进制表示BM之前的这种分类的附加计算费用是很少的和一般来说可以忽略不计。
这种二进制表示BM可以隐含地集成在源编码器和源解码器中。然而对于已经标准化的编码如GSM全比率/增强的全比率语言编码这些意味着不仅在接收机而且在发送机上的改进。当然这种改进不需要大的硬件改动是可能的。在GSM系统中从基础设施方面只有必要在TRAU(转换编码器和比率适配装置)中补充二进制表示和逆变表示，BTS(基站收发器)、BSC(基站控制器)等保持不变。
附图3表示了符号值c，j和被分配的二进制编码字bcw，j的概率分布。其中可以看出，在NBC情况下在第一个比特位b1上二进制数值“0”的概率大大地大于二进制数值“1”，特别是在已经将符号c1或者c2发送出去的条件下。在源控制的信道解码时在A优先或者A其次信息的意义上可以利用这个信息，以便决策关于比特位b1的二进制数值，或者确定为此使用的阈值，和这样使得决策比较可靠。
如果也使用关于有可能被传输的符号值c，j的信息，还可以改善解码。
如果人们在二进制表示之前不将符号分类，则有可能在源控制的信道解码时使用的A优先或者A其次信息(也就是说二进制数值的概率为“0”)一般来说比较小和有可能不会这样可靠地进行比特位的解码。
在本发明的实施变型中将符号分类和表示为编码字之后将所有或者编码字比特位的一部分进行调换。
在本发明的结构中将由符号序列SY组成的信息是这样表示在各自具有多个比特位b.i的二进制编码字上的，在相应的比特位b，i，k(或者在帧平面上uq，k)和b，i，k+1(或者在帧平面上uq，k+1)连续帧k，k+1之间的相关也大。其中特别应该考虑源比特的相关。这种方法的基本思想在于，在两个连续帧之间的相应的符号不经常变化和因此在传输时出现冗余。将连续帧之间的这种相关在接收方在使用解码器APRI-SOVA(A优先软输出Viterbi算法)情况下可以特别好地充分利用，如果这样选择一个二进制表示BM，在连续帧相应的比特位的二进制数值之间的相关大时。这样在复杂的仿真时得出使用GBC作为二进制表示特别有益，特别是如果符号具有高斯分布或者反高斯分布，这在很多情况下是这种情况。
当源控制信道解码CD时也可以利用帧交互相关，也就是说也可以利用时间和/或位置相邻的符号样本之间的统计关系。为了评估A优先/A其次信息人们例如可以使用经验的“HUK算法”，这种算法叙述在“J，Hagenauer，“源控制信道解码”，IEEE Tran.Commun.，43卷，2449-2457页，1995年9月”或者为了源控制信道解码使用在Kalman滤波器基础上的方法。
在另外的实施变型中将由符号序列SY组成的信息这样表示在各自具有多个比特位b，i的二进制编码字上，当被错误检测的二进制数值时，在被检测的符号上或者在被输出的源信号QS上的误差是小的。通过适当的二进制表示BM则源信号对信道干扰的反应敏感度比较小。这样当复杂的仿真时得出使用FBC作为二进制表示特别有益，特别是如果符号具有高斯或者反高斯分布时，这在很多情况下是这种情况。
还有的实施变型是可能的，在其中这样选择二进制表示BM，将上述变型多种方案在妥协的意义上组合在一起。
为了实施上述方法安排了集成在例如无线机，如移动无线系统的移动站或者基站上程序控制的信号处理器，这个信号处理器为了传输信息按照上述之一的方法编码和/或解码。
Claims (7)
1.将由符号序列(SY)组成的信息编码的方法，其中符号以不同的概率出现，在其中
-将符号表示在各自具有多个比特位的二进制编码字上，在其中表示是这样进行的，
-将按照其出现概率分类的符号分配给普通的二进制编码(NBC)。
2.按照权利要求1的方法，在其中
-将至少符号的重要部分或者所有符号按照其概率分类，和
-将至少这样分类的符号的重要部分或者所有这样分类的符号分配给普通的二进制编码(NBC)。
3.按照上述权利要求之一的方法，在其中
将按照其出现概率分类的符号用一种方法分配给普通的二进制编码(NBC)，
-将一个编码字分配给最常出现的符号，在所有比特位上有第一个二进制数值或者将一个编码字分配，在所有比特位上有第二个二进制数值，和
-将一个编码字分配给最少出现的符号，在所有比特位上有第二个二进制数值或者将一个编码字分配，在所有比特位上有第一个二进制数值。
4.按照上述权利要求之一的方法，
在其中符号序列(SY)是来源于源编码(QE)的。
5.按照上述权利要求之一的方法，
在其中比特位被从表示中得到的编码字调换。
6.信息解码的方法，在其中将由符号序列组成的信息按照前面权利要求之一已经编码，和将被分配在符号序列(SY)或者被分配在比特位上的编码字中包括的冗余信息作为A优先和/或A其次信息使用在求取比特位的数值上。
7.信息传输的方法，在其中将信息按照权利要求1至5之一进行编码和按照权利要求6进行解码。
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20040324 |